Značilnosti električnega polja
V članku so opisane glavne značilnosti električnega polja: potencial, napetost in jakost.
Kaj je električno polje
Za ustvarjanje električnega polja je potrebno ustvariti električni naboj. Lastnosti prostora okoli nabojev (naelektrenih teles) se razlikujejo od lastnosti prostora, v katerem ni nabojev. Hkrati se lastnosti prostora, ko vanj vnesemo električni naboj, ne spremenijo takoj: sprememba se začne od naboja in se z določeno hitrostjo širi od ene točke v prostoru do druge.
V prostoru, ki vsebuje naboj, se manifestirajo mehanske sile, ki delujejo na druge naboje, vnesene v ta prostor. Te sile niso posledica neposrednega delovanja enega naboja na drugega, temveč delovanja skozi kvalitativno spremenjen medij.
Prostor okoli električnih nabojev, v katerem se manifestirajo sile, ki delujejo na vanj vnesene električne naboje, imenujemo električno polje.
Naboj v električnem polju se giblje v smeri sile, ki deluje nanj s strani polja.Stanje mirovanja takega naboja je možno le, ko na naboj deluje neka zunanja (zunanja) sila, ki uravnoteži jakost električnega polja.
Takoj ko se ravnovesje med zunanjo silo in poljsko jakostjo poruši, se naboj ponovno začne premikati. Smer njegovega gibanja vedno sovpada s smerjo večje sile.
Zaradi jasnosti je električno polje običajno predstavljeno s tako imenovanimi silnicami električnega polja. Te črte sovpadajo s smerjo sil, ki delujejo v električnem polju. Hkrati je bilo dogovorjeno, da se nariše toliko črt, da je njihovo število za vsak 1 cm2 površine, nameščene pravokotno na črte, sorazmerno z jakostjo polja na ustrezni točki.
Smer polja je običajno smer poljske jakosti, ki deluje na pozitivni naboj v danem polju. Pozitivne naboje odbijajo pozitivni naboji in privlačijo negativni naboji. Zato je polje usmerjeno od pozitivnih k negativnim nabojem.
Smer silnic je na risbah označena s puščicami. Znanost je dokazala, da imajo silnice električnega polja začetek in konec, to pomeni, da niso zaprte same po sebi. Na podlagi predpostavljene smeri polja ugotovimo, da se silnice začnejo s pozitivnimi naboji (pozitivno nabita telesa) in končajo z negativnimi.
riž. 1. Primeri slike električnega polja s pomočjo silnic: a — električno polje z enim pozitivnim nabojem, b — električno polje z enim negativnim nabojem, c — električno polje dveh nasprotnih nabojev, d — an električno polje dveh enakih nabojev
Na sl.1 prikazuje primere električnega polja, prikazanega s pomočjo silnic. Ne smemo pozabiti, da so električne silnice le način grafične predstavitve polja. Tu ni večje vsebine koncepta linije sile.
Coulombov zakon
Moč interakcije med dvema nabojema je odvisna od velikosti in medsebojne razporeditve nabojev ter od fizikalnih lastnosti njunega okolja.
Za dve naelektreni fizični telesi, katerih dimenzije so nepomembne v primerjavi z razdaljo med telesi, je zdravilnost interakcije matematično določena na naslednji način:
kjer je F sila interakcije nabojev v newtonih (N), k — razdalja med naboji v metrih (m), Q1 in Q2 — velikost električnih nabojev v kulonih (k), k je proporcionalni koeficient, katerega vrednost odvisno od lastnosti medija, ki obdaja naboje.
Zgornja formula se glasi takole: sila interakcije med dvema točkastima nabojema je premo sorazmerna z zmnožkom velikosti teh nabojev in obratno sorazmerna s kvadratom razdalje med njima (Coulombov zakon).
Za določitev faktorja sorazmernosti k uporabimo izraz k = 1 /(4πεεО).
Potencial električnega polja
Električno polje vedno prenaša gibanje naboja, če poljske sile, ki delujejo na naboj, niso uravnotežene z zunanjimi silami. To pomeni, da ima električno polje potencialno energijo, to je sposobnost opravljanja dela.
S premikanjem naboja iz ene točke v prostoru v drugo električno polje opravi delo, zaradi česar se dovod potencialne energije v polje zmanjša.Če se naboj giblje v električnem polju pod vplivom neke zunanje sile, ki deluje nasprotno silam polja, potem delo ne opravljajo sile električnega polja, temveč zunanje sile. V tem primeru se potencialna energija polja ne le ne zmanjša, ampak se, nasprotno, poveča.
Delo, ki ga opravi zunanja sila, ki premika naboj v električnem polju, je sorazmerno z velikostjo sil polja, ki nasprotuje temu gibanju. Delo, ki ga v tem primeru opravijo zunanje sile, se v celoti porabi za povečanje potencialne energije polja. Za karakterizacijo polja s strani njegove potencialne energije se imenuje količina, imenovana potencial električnega polja.
Bistvo te količine je naslednje. Recimo, da je pozitivni naboj zunaj obravnavanega električnega polja. To pomeni, da polje praktično ne vpliva na dani naboj. Naj zunanja sila vnese ta naboj v električno polje in s premagovanjem upora gibanja, ki ga povzročajo poljske sile, premakne naboj na dano točko v polju. Delo, ki ga opravi sila, in s tem količina, za katero se je povečala potencialna energija polja, sta v celoti odvisna od lastnosti polja. Zato lahko to delo karakterizira energijo danega električnega polja.
Energija električnega polja, povezana z enoto pozitivnega naboja, nameščenega na dani točki polja, se imenuje potencial polja na dani točki.
Če je potencial označen s črko φ, naboj s črko q in delo, porabljeno za premikanje naboja z W, bo potencial polja na dani točki izražen s formulo φ = W / q.
Iz tega sledi, da je potencial električnega polja v dani točki številčno enak delu, ki ga opravi zunanja sila, ko se enota pozitivnega naboja premakne iz polja proti dani točki. Potencial polja se meri v voltih (V). Če so med prenosom enega kulona elektrike izven polja na dano točko zunanje sile opravile delo, ki je enako enemu joulu, potem je potencial na dani točki v polju enak enemu voltu: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb
Električna poljska jakost
V vsakem električnem polju se pozitivni naboji premikajo od točk z višjim potencialom do točk z nižjim potencialom. Nasprotno, negativni naboji se premikajo od točk nižjega potenciala do točk višjega potenciala. V obeh primerih se delo opravi na račun potencialne energije električnega polja.
Če poznamo to delo, to je znesek, za katerega se je potencialna energija polja zmanjšala, ko se pozitivni naboj q premakne iz točke 1 polja v točko 2, potem je enostavno najti napetost med tema točkama polja. polje U1,2:
U1,2 = A / q,
kjer je A delo, ki ga opravijo poljske sile, ko se naboj q prenese iz točke 1 v točko 2. Napetost med dvema točkama v električnem polju je numerično enaka delu, ki ga opravi nič za prenos enote pozitivnega naboja iz ene točke na polju drugemu.
Kot je razvidno, napetost med dvema točkama polja in potencialna razlika med istima točkama predstavljata isto fizikalno enoto ... Zato sta izraza napetost in potencialna razlika enaka. Napetost se meri v voltih (V).
Napetost med dvema točkama je enaka enemu voltu, če poljske sile pri prenosu enega kulona elektrike iz ene točke polja v drugo opravijo delo, enako enemu joulu: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb
Električna poljska jakost
Iz Coulombovega zakona izhaja, da električna poljska jakost določenega naboja, ki deluje na drug naboj v tem polju, ni enaka na vseh točkah polja. Električno polje na kateri koli točki je mogoče označiti z velikostjo sile, s katero deluje na enoto pozitivnega naboja, nameščeno v določeni točki.
Če poznamo to vrednost, je mogoče določiti silo F, ki deluje na vsak naboj Q. Zapišete lahko, da je F = Q x E, kjer je F sila, ki deluje na naboj Q, ki ga električno polje postavi na točko v polju, E je sila, ki deluje na enoto pozitivnega naboja, nameščeno na isti točki v polju. Količina E, ki je številčno enaka sili, ki ji deluje enota pozitivnega naboja na določeni točki v polju, se imenuje električna poljska jakost.